示波器測量值與信號源輸出值形成2倍之問題解答

信號源的輸出電壓讀數是數字示波器的2倍？問題出在哪里？

我做實驗時需要用信號發生器發出信號給示波器觀察，二者的幅值會相差一倍，就是之前你說的阻抗匹配造成的問題，但是跟同事解釋起來，真的極少有人懂我。可能是我理解的不夠透徹講的不清楚，同事不明白。所以想看看你是怎么闡述的?還有，如果用50歐姆阻抗檔測量高頻信號，是不是意味著實際信號的大小都應該是示波器讀數的兩倍呢？ 

答：

其實，有時候數字示波器測量的結果是信號源設置的電壓讀數的1/2，不一定是2倍。要回答這個問題我們需要先了解信號源的電路模型。信號源電路模型由一個電壓源Vs和內阻Rs組成，連接外部負載RL，組成回路，如圖1所示。其中，信號源內阻Rs為50Ω；Vo為信號源加在負載兩端的電壓。 
 
圖1  信號源電路模型及與外圍電路連接

當信號源通過同軸電纜直接連接到示波器時，如圖2所示，圖1的負載電阻RL就是示波器的輸入耦合電阻，一般為50Ω和1MΩ，圖1中的 Vo即為示波器觀察到的波形的電壓。其具體數值大小依據下面分壓原理的公式獲得；
 
圖2 信號源通過同軸電纜直接連接到數字示波器
當信號源通過同軸電纜連接到被測電路時，如圖3所示，用普通的無源探頭連接到RL的兩端，這時示波器兩端的電壓是多少？  對于10:1無源探頭，探頭本身的直流電阻是9 MΩ，示波器設置為1 MΩ時的等效電路模型如圖4所示，
圖中的示波器測量到的電壓，在RL遠小于10MΩ時接近于RL兩端電壓。
 
圖 3 信號源通過同軸電纜連接到被測電路
 
圖 4 無源探頭接入電路時的等效電路

問題： 當用數字示波器探頭直接連接到信號源的輸出端，會發生什么呢？
 
圖5  鼎陽科技SDG2000X信號源設置菜單 

也許，這是引起人們疑惑之所在：信號源本身的內阻是確定的50Ω,信號源的負載電阻是信號源本身并無法控制的。設置信號源的負載電阻應該是和實際的負載一致，但如果設置得不一致，就會出現測量的結果為信號源面板設置的輸出電壓讀數值的2倍或1/2。
根本原因是：當設置信號源的負載電阻為50Ω時，信號源實際輸出的電壓Vs為設置的輸出電壓值的2倍，譬如信號源設置為輸出1V電壓，實際上信號源的物理層發出的電壓Vs是2V。
那么：
1、當實際負載為50Ω時：

 1-1

Vo=1/2*Vs；
1.1設置信號源的負載電阻也為50Ω，假設信號源面板上設置為1V，信號源實際輸出的電壓Vs為2V，這時候示波器測量值為1V；
1.2設置信號源的負載電阻為HiZ，假設信號源面板設置為1V，信號源實際輸出的電壓Vs也為1V，但是這時候由于實際負載是50Ω，分壓作用導致示波器測量值為0.5V；
2、當實際負載HiZ為1MΩ時：

 2-1

2.1  設置信號源的負載電阻為50Ω，假設信號源面板設置為1V，信號源實際輸出的電壓Vs為2V，這時候示波器測量值為2V；
2.2  設置信號源的負載電阻為HiZ，假設信號源面板設置為1V，信號源實際輸出的電壓Vs為1V，這時候示波器測量值為1V。
上面這樣看似很繞的解釋，總結起來無非要記住兩點：
1，信號源的面板上設置負載電阻為50Ω時，信號源的物理層輸出電壓Vs為面板讀數電壓的2倍。
2，不要亂設置信號源的負載電阻，將其設置為與真實的負載電阻一致，那么測量結果就和信號源面板上設置的輸出電壓讀數一致。